ENVIRONMENTAL SCIENCE AND ENGINEERING (BCE101)

ENVIRONMENTAL SCIENCE AND ENGINEERING (BCE101) Requirment of Human Being :‐ ‐ Energy ‐ Water ‐ Food Quantitative & Qualitative Environment Engineer...
Author: Lionel Floyd
18 downloads 3 Views 435KB Size
ENVIRONMENTAL SCIENCE AND ENGINEERING (BCE101)

Requirment of Human Being :‐ ‐ Energy ‐ Water ‐ Food

Quantitative & Qualitative

Environment Engineer’s Work –    → To provide good quality of water (Water treatment plant)  → Waste water treatment → Control on Air Pollution to Maintain the Air Quality (Temperature, Pressure, Wind, Moisture) → Control on Water Pollution → Solid Waste Management (Storage, Separation & Transportation)

1‐Book Environment Engineering By Gerard Kiely 2‐H.S. Peavy D.R. Rowe G. Technobanog Lous 3‐ Water Supply Engineering by S.K. Garg

1.1

Ecological Perspective:‐

→  The  environmental  engineer  is  interested  to  use  the  varies  physical  resources  such  as  natural  energy  (waves,  wind,  minerals,  hydroelectric)  and water for domestic & living purpose. →  Therefore,  It  has  to  understand  the  functioning  with  the  living  system  and its interaction with the environment. → Environment – (or Ecosystem) It consists of four major element such as (i) Land (ii) Water (iii) Air and (iv) Living Organism (Plant & Animals) Environment (Ecosystem)

Physical Environment (Abiotic)

Biological Environment (Biotic)

Living Organisms       (Planteanimals, Viruses, Bacteria, Fungi) Hydrosphere                            Lithosphere                           Atmosphere (Water over the earth (Solid earth & soils)      (air upto a distance  & inside the earth) of 700 km.) →  Living  organisms  are  dependent  on  each  other  &  depends  on  the  physical  environment. Ex. 

Plans grow on land & in water. Herbivorous animals use the plant as food. Carnivorous animals eat herbivorous animals.

1.2

Value of Environment :‐ or Resources Natural Resources

Renewable (Energy from sun, water  and Biological cycles) It is recycled & reused.

    Non‐renewable        (Fossil, Fuel, Minerals etc)

Forest Plantation

They are not Replaced. Amount are finite.

Abstract (Animal, plant and natural sight used for tourism) 1.3 Environment Auditing:‐ Listing of all the resources of an area Different types of developmental work go ahead in an area depends on the  economical consideration. It has to restrict the economy (money) cased. Therefore, We have to audit or make a list of all the resources of the area.  (Environmental auditing) Auditing No’s of species (Living organisms) exist Uses of the living environment.

Direct uses

Indirect uses

Food, Industrial & Commercial products, tourism, medicines etc. 1.3.1 Direct use Food – Plants or domesticated animal products  Industrial  &  commercial  products:  ‐  Mineral,  fossil,  fuel,  wools,  cotton,  jute, rubber etc. Medicines‐ 1.3.2 Indirect Uses 9 Biodiversity is the biological processes themselves that provide the value. It is regarding about indirect uses of environments. 9 Environment consists of populations of species‐with air, water, land.

Population of one species (Environment) Biological

   

mixed together with other 

Process helps

   

species

The entire system.

   

  Communities Many communities are  Combined   Landscape

9 Therefore,  biodiversity  is  a  basic  resource  which  acts  as  a  human  –  life  support system. 9 Biodiversity Sail  formation,  waste  degradation,  air  &  water  purification,  solar  energy  absorption, and maintenance of hydrological cycles etc.

Loss of Biological resources Reduction of  one common  species. 1‐ Depletion of a once – common species 2‐Local or global species extinction 3‐ Ecosystem disruption Environment  may  be  changed  due  to  habitat  destruction  extinction  means  the  potential  of  the  particular  species  to  be  appeared in future.

1.4.0 →

Cost‐Benefit Analysis:‐ After environmental auditing, we have to calculate the cost for  the developmental work.



Some  of  the  environmental  process  or  services  are  excluded  from  the calculation such as: 9 Pollution absorption by biotic system 9 Ecosystem stability 9 Recreational value

9 Historic importance.



Environmental  parameters  to  be  incorporated  is  based  on  World  Conservation Strategy (IUCN, 1980).

1.5 Biotic Component:‐ → Everything in the global environment is in one component can affect many  others over space & time. → Six major levels of ecological organization are recognized 9 Individual (Physiological functions) Single species  9 Population (Birth, death, population growth rate) 9 Community (Interaction between different species) Both plants & animals 9 Ecosystem (Interaction between living &                                                (biotic) Non‐living component.) A biotic             Biotic  Community  of Living

Hydrosphere (Water)

Lithosphere

Atmosphere

(earth, soil)

       (Air)

A Biotic Fig‐1 Interactions between various component  → Energy flow occurs at the level of Ecosystem

9 Biomes:‐  Environmental  conditions  are  similar  in  different parts of country. Ex climate. Vegetation type. 9 Biosphere:‐  Part  of  earth  &  atmosphere  in  which  life  exists. (Lithosphere,  Atmosphere  &  Hydrosphere  comes  into  contact in Biosphere)

1.6 Ecosystem Process:‐ → Ecosystem is the interaction between biotic & a biotic components (Fig‐1). → Process occurred at ecological level are 9 Energy flow 9 Nutrient cycling

1.6.1 Energy Flow →  Interactions  between  living  organism  &  environment  is  because  of  requirement of food which supply energy to survive

→ It also helps to construct body tissues & games for reproduction of species.           (child/next generation) Energy sources –                            converted →1‐ Light energy           chemical energy                                       (stored in living organism)

Solar energy           Sun (ultimate sources of energy) →2‐ Energy in Environment Autotrophic                          Heterotrophic

                                (Energy originated                                        From primary production                                         in other ecosystem.)  two – ways    1‐ Production of energy by green plants in                            presence of light through the process of                      photosynthesis.                                       2‐ By sulphur – oxidizing bacteria in deep sea ecosystems.

Photosynthesis → Gran plants create their own food through a series of chemical reactions. 12H2O+6CO2+Light ChlorophyII+enzymes Water           709 kcal C6H12O6 + 6O2 + 6H2O    Carbohydrate  (to air) (Glucose) + Sugar molecules.

→ Photosynthesis is carried out in day light in leaves & in stems of some green plants.

→ Plant require inorganic substance like 9 9 9 9

Nitrogen Phosphorus                     obtained from soils. Magnesium Iron

→ Glucose + chemical reaction Fat, Proteins & Nucleic acid                                    (used to form body tissues) Primary production – Production of organic matter by plants. → When any organism requires energy, the reverse reaction to photosynthesis  occurs, celled respiration. C6H12O6 + 6O2 metabolic enzymes                                            CO2+H2O+Energy for work

Primary Production →The production of organic matter by plants is called primary production. →The  rate  of  photosynthesis  &  primary  production  plays  a  vital  role  in  the  ecosystem. Therefore, It has to consider the amount of primary production in  different ecosystem. Net primary production = Gross Primary production – respiration →Gross primary production is the total amount of chemical energy stored by  plants per unit area per unit time. →The primary production is affected by the environmental factors,   9 9 9 9

Water  Light Soil nutrients Temperature.

Food chain → Autotrophs (plants) can create their own food, but heterotrophs cannot.                                                                                              (animals) →Heterotroph directly or indirectly depends on primary source of food.

  Primary production            plant                                          (chemical energy)

Photosynthe sis

respiratory

Net production

                                                                       + Organic matter (Gross Production)                      Herbivore                     to s Carnivores                

1.6.2 Decomposition & Nutrient Recycling → Nutrient :‐ amino acids, minerals, sugar, salts & vitamins. →  With  flow  of  energy  through  food  chain,  nutrients  are  passed  from  one  –      organism to another during feeding.

                                             Autotroph                         Organic matter   Sunlight  

Photosynthesis          

Respiratory

Sun’s energy                                      R                                                           Primary producer                                                                                           R Decomposer  Primary consumer                                                                                                     Secondary consumer                                                                                                    R

   

                                         R Fig‐4 Energy flow

                 

Soil

Rain 

 

    Plant

Primary product

              Primary consumer 

Decomposer 

                         Herbivores 

    Secondary consumer 

Carnivores

Fig 5 Nutrient cycle

1.7 Environmental Gradients & Tolerance :‐ → Each species is not found in every type of habitat (area) → Uneven  distribution of organism → This is because of several factors 9 9 9 9 9 9 9

Light Temperature PH Food Water Shelter Predictor & competitor’s interaction.

→The above environmental factors varies from the equator towards north or  south; is called environmental gradient. →The plot between environmental & population size is called tolerance carve. ++++++++++++ A = Species absent B = Low population

Range of optimum:‐ Area of greatest numbers.

Concept of Hydrology 2.1 Hydrological cycle:‐ Water  evaporates  from  oceans  &  other  water  bodies,  and  from  land  surfaces.  The  evaporated  water  rises  into  the  atmosphere  until  the  water  vapour  condness.  Then  the  condensed  water  vapour  condenses.  Then  the  condensed water vapour in the form of rain & sometimes as snow. ++++++++++++++++

Fig – 2.1 Hydrological cycle. 2.2 Water balance:‐ →The accounting of water for a particular catchment, region or earth is called  water balance. →Therefore, water balance is the account of hydrological cycle. Moreover, the  input to the hydrological cycle is due to precipitation. →the equa for water balance is  

P = R + E       S      G

     P = Precipitation, mm/day      R = Stream runoff      E = Evaporation      S = Change in soil moisture status            G = Change in ground water status 2.3 Energy budget/balance:‐

The source of energy is solar radiation. Earth surface absorbs solar radiation. The energy absorbed by earth surface is reflected back to the atmosphere  &  some  enters  into  the  earth.  Furthermore,  the  earth  also  re‐radiates  some  solar‐energy.  →The  energy  balance  is  the  accounting  of  distribution  of  the  solar  radiation  through  atmosphere  and  onto  the  earth’s  surface  of  land  and  ocean.  Moreover,  It  accounts  for  the  outgoing  terrestrial  radiation  from  the  earth’s  surface. →It  includes  evaporation  flux,  sensible  heat  flux  &  net  radiant  emission  by  surface. →Our interest is find the net‐incoming radiation at the earth’s surface.      Quantity of radiant energy remaining at the earth’s surface. Rn = LE + H + G + PS + M Where Rn = Specific flux of net incoming radiation, W/m2 L = Latent heat of vaporization (Doesn’t increase the temperature) E = specific flux energy of sensible heat into the atmosphere (watt/m2) G = Specific flux of heat into or out of the soil PS = Photosynthetic energy fixed by plants M = Energy for respiration & heat storage in a crop canopy. → Neglecting PS & M, we have Rn = LE + H + G 2.4 Precipitation:‐

→ Preciption is in the form of rain, hail or snow. We are interested to  determine the amount, rate & duration of precipitation. → The magnitude of rainfall is determined by three ways such as:

9 Precipitation gauges 9 Rader                                             Instruments 9 Satellite remote sensing

→ Precipitation can be calculated from different method analysis results i.e. 9 Area precipitation 9 Dept – area – duration analysis 9 Precipitation – duration – frequency analysis. 9 Intensity – duration – frequency analysis. 9 Extreme values of precipitation. Area precipitation → P1 =  .dx 

Mean area                      Total accumulation Precipitation                 of precipitation at all point ‘x1’ in the catchment → Time averaged main area precipitation                 M P2 =     

                     I = 1A A                                  Total precipitation at ‘x’ & time ‘ti’. Where              A = Catchment area              T = Total storm period. Depth – area – duration analysis. →    Generally, as the area of a catchment increases, the depth of precipitation  decreases. Therefore, an area reduction factor (ARF) Is used for precipitation in this analysis. Precipitation frequency → Rainfall record over a period of time with a specific magnitude. (No. of times) +++++++++++++++++

Fig 2.3 Depth – area – duration curve Intensity – duration – frequency analysis (IDF) → From IDF curves, as rainfall intensity increases, its duration decreases i.e. I                     Runoff (Q) = CIA                                                         Catchment area (km2)                                                           Locality constants. 2.5 Infiltration:‐ →It is the movement of water from soil surface into the soil. About 76% of  precipitation infiltrate into the soil.

1‐ The properties of soil which responsible for infiltration are

9 Bulk density 9 Particle density 9 Porosity 9 Volumetric water content 9 Degree of Saturation. Bulk density of a soil is:    ( b)       

∫b = ( ) Md = Dry mass of a soil volume Vt = total volume (Undried condn)

Particle density (∫m) =                                       Vd = dry volume                Typical value for most sails is 2.65 kg/m Porosity (Ø) =  = 1 ‐ 

                           Va = volume of air                            Va = volume of water                            Vs= volume of solids

Volumetric Water content (θ) =  = 

Degree  of  saturation  (S)  is  the  proportion  of  water  containing  pores.  of  the  measure of wetness.       S =  =  → Soil horizons and Hydraulic conductivity Hydraulic conductivity is the rate of  movement of water into the soil. Dead leaves                                           →vegetation (Grass, tree) Soil                    

     Unsaturated zone                              A ‐ Horizon Sub‐soil

                                          B ‐ Horizon Saturated soil                                           C – Horizon Bed Rock 3‐Soil – moisture content or soil – water content  →Each soil has a maximum moisture magnitude/capacity, when it is saturated. +++++++++++++++ Aeration zone: ‐ is the upper zone where the pores are occupied by air. Capacity zone: ‐ is the zone through which water will rise through the soil pores  by capillary action.  Ground water zone :‐ exists below the water table.

2.6 Evaporation & Evapotranspiration:‐

→Evaporation  is  the  process  by  which  water  is  returned  to  the  atmosphere, from liquid & soild into the vapour state. →Evaporation into the atmosphere occurs through the transpiration of leaf  parts of plants. The process is termed as evapotranspiration. →30%  of  rainfall  flows  in  the  form  of  runoff.  Therefore,  on  the  ocean  surface of earth there is more evaporation than precipitation. →The type of evaporation/evaporatranspiration are: 9 Evaporation from lake surface (Eo) 9 Actual evapotranspiation, (ET) 9 Potential evapotranspiration (PE) Evaporation from lake or open water body surface. It includes the evaporation & transpiration from a land surface, & vegetated. It  will vary depending on the present soil – moisture status. →Potential  evapotranspioration  is  determined  for  catchment  research  projects, when radiation & heat balance are considered. →Factors  causing  evaporation  from  any  surface  are:  1‐  Latent  heat  of  vapourization & (2) wind  2.7 Ground water:‐ →Ground water is defined as the water below the water table.                       

                            The  level  of  soil  below  which  the  pore  space  is  100%  occupied  by  water. 2.7.1 Aquifers Water table +++++++++++++++ →An  aquifier  is  a  water  –  bearing  rock  formation  that  contains  sufficient  amounts of water to be exploited & brought to the surface by wells. →Aquifers are two types in nature: 9 Contined 9 Uncontined →Upper aquifer is unconfined & it has a natural water‐table‐line. Free to move up & down →The  impermeable  strata  between  unconfined  aquifer  &  confined  aquifer  is  called aquaclude. →When wells are drilled into confined aquifer water will rise & attain its own  ‘water table line’. 2.8 Ground water chemistry:‐                                             (quality/properties)

→The  quality  of  ground  water  depends  on  the  subsoil  &  rocks  that  it  passes  through.                          Ex:‐ hardness, iron, manganese

1‐ Hardness When Ground water pass through the limestone, it dissolves/mixed with  calcium  &  magnesium  compounds;  which  cause  hardness.  (200  to  400  mg/litr) 2‐ Iron & Manganese →Excess amount of irons don’t cause health problem (Taste problems) →It will give a metabolic taste to water. →Manganese cause a black discoloration of water. →Iron & manganese are good indicator of water pollution. 3‐ Hydrogen sulphide (gas) →H2S is present in water from rocks like limestones or shales. →It create the same problem as in the case of Iron. 4‐ Sulphate (800 mg/lit) 5‐ Sodium Chloride (Nacl)

→This problem occurs in areas where rocks are highly permeable. 2.9  Ground  water  contamination:‐  internet  Make  impure  which  will  become harmful →The indicators of the source of contamination are E.coli, nitrate, ammonia,  potassium, chloride, iron, manganese etc. 1‐ Bacteria & Viruses. →  E.  coli  is  the  parameter  which  indicates  the  presence  of  bacteria  &  viruses. →Presence  of  bacteria  in  ground  water  causes  typhoid  fever,  diarrhea,  gastrointestinal infection etc. →E coli Bacteria – From septic tank effluent, landfill sites & birds etc. 2‐ Nitrate →Nitrate rich water cause mathaemoglobinaemia (blue baby syndrome) to  young children. 3‐ Ammonia →It has a low mobility in soil & sub soil. 4‐ Potassium (K) →It is immobile in soil.

5‐ Chloride (Cl)

6‐ Iron & Manganese 2.10 Ground water pollution control/prevention:‐ Water Quality Requirement :‐ 3.1 In – Stream Standards:‐ → Water quality requirements & water quality standard. → Many factors affect stream‐  Quality ex:‐Waste water discharge & human activities 3.2 Portable – water standard:‐ +++++++++++++ 3.3 Waste‐water effluent standards:‐ Decomposition: ‐ The process of decay caused by bacteria & fungi ‐:Water Quality in Rivers :‐ 4.1 Organic content parameter DO & BOD in streams →DO – Dissolved oxygen. →Water bodies support a variety of fish and animals. They require  oxygen & a stream/river must have a minimum dissolved oxygen about  2mg/litr.

→ When an organic waste is discharged to a stream, the organic content  undergoes biochemical reaction. This reaction a consumes oxygen from  water bodies. Organic content + O2 micro‐organism New+Co2+H2O+stable products Biomass → The amount of dissolved oxygen used up from water sample by micro‐ organism for the bio‐chemical reaction is termed as BOD. → The relation between DO & BOD is developed by Stricter & Phelps  model. Follow                   = K1 Lt – K2 DO other book                     = 

K1 L0 e‐K1t – K2 DO

                    Lo = Oxygen demand at t= to                     Lt = C BOD (mg/Litr)                         = Carbonaceous bio‐chemical oxygen demand amount of oxygen Remaining at time ‘t’ Constants           K1 – dexygenation rate (1/day)                             K2 – reaction rate (day‐1)                            (Lo‐Lt) – Oxygen consumed.

The dissolved oxygen (Do) decreases in a river/stream by degradation of  BOD. The variation of DO in the stream/river w.r.t BOD was derived by  Streeter & helps model. Seeded water – Deoxygenation – Chemical Oxygen Demand (COD) :‐ A quick chemical test to measure the  oxygen equivalent of the organic matter content of waste water that is  susceptible to oxidation by a strong chemical. (organic & inorganic) (both) Or COD is a measure of the total organic carbon with the exception of  certain aromatic such as benzene which are not completely oxidized in  the reaction. Organic materials such as cellulose, phenols etc. resist biodegration along  with pesticides & these materials are oxidized in the COD test. * The organic content of a waste water stream is determined by following  tests.

                  BOD5 :‐ conc. Of ‘Do’ at day ‘5’ –                     COD                     TOC:‐ Total organic carbon,                               at day – ‘O’ at day – ‘5’                    BOD5 = P(DOi – Dos)

                           Dilation factor. 4.2 Transformation process in water bodies:‐ The constituents in water – bodies are DO, BOD, temperature, salinity,  nitrogen (as organic, ammonia & nitrate etc), phosphurs etc, (considering  water quality). → The transformation process in water bodies are: 1‐ Influent ‘clean’ flows 2‐ Influent ‘waste’ flows 3‐ Biological oxidation of carbonaceous & nitrogenous organic matter. 4‐ Reparation of surface layer 5‐ Reduction of BOD (sedimentation) 6‐ Photosynthesis 7‐ Respiration 8‐ Oxygen diffusion 9‐ COD (Chemical oxygen demand) 4.3 Transport process in waterbodies:‐ → Transport processes are 1‐ Advection (heat, humidity & solidity in ocean)     2‐Difusion :‐ the process by which models                See S.K. Garg         intermingle as a result of their                                   & other Book             ex‐ two gases‐mix K.E. of random motion.                     For destination 

                      with costively                                                             of the process 3‐Buoyancy :‐ is an upward for exerted by fluid that opposes the weigh of immersed object.  4.4 Stricter – Phelps Oxygen Sag Model :‐ → The rate of decomposition of organic matter is proportional to the amount of  organic matter available ; i.e.

 = ‐ K ‐ 1                           ‐ 1 1 Lt ‐                                                                                Lt = BOD remaining at time                                                                 ‘t’,                                                  K1 = deoxygeneation rate coefficient per day Integrate equation 1‐ between (Lo) to (Lt) Lt = Loe‐k1t We have                               ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 2

Where Lo = Ultimate BOD = (BOD at tint – “O”) = initial BOD → ‘BOD’ consumed at time ‘t’. (BOD)t = Lo‐Lt = Lo – Lo e‐K1t = Lo (1‐e‐K1t) Solve Ex – 7.1

7.3 → When biodegradable waste was discharged to a stream/river, It consumed  oxygen. The deticieny of dissolves oxygen is maintained through reaertion from  atmosphere. Hence, eqa 1‐ can be written as  = K1 Lt – K2(DO) = K1 Loe‐k1t – K2(DO)                                 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 3 Where DO = DO deficit (oxygen deficit). = maintain DO – actual DO  Lt – Oxygen remaining at time ‘t’ K1 – deoxygenation rate per day K2 = reparation rate per day → Integrating eq, we have DO(t) =  (e‐k1t‐e‐k2t) +                                      DO e‐k2t                                      ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4 Where Lo= Oxygen demand at t = to Doo = dissolved oxygen deficit at t = to Dissolved oxygen saturation deficit at any time‘t’.

→ Equ 4 is the streeter – Phelps oxygen sag formula. → Solve ex 7.5 Initial            DO ………     DOc                                                                  DO sag curve     Deficit            min                                                            Reaertim DO (mg/lit)                                                                                                                                                               deoxygenation                                             time Fig Dissolved oxygen sag curve Doc  → Minimum or maximum dissolved oxygen deficit → differentiate equ 4 w.r.t to ‘t’ & set it equal to zero. We have ‐ tc =  . Ln          1‐                    time of occurrence of minimum DO or maximum  dissolved oxygen deficit DOc  =   DO(t) ‐ DOo                  Dissolved oxygen saturation deficit at time. Chemical Pretreatment: ‐ to remove undesirable properties of water (excess  colour of algae) Photosynthetic alghe. (doubt)                                      Unit (NTU:‐ Nephelonetric turbidity unit) Prechorinctin for (Low turbidity water)

Activaled carbon (Turbidity: Should be  0.3 melm/min) → Water is recycled through the plant. → Filtration operated on hydraulic principle.                 Vf = Vt x f4.5                                      Porosity                                   Terminal velocity to wash medium from bed 5.2.4 Disinfection – → It refers to operations used to kill pathogenic microorganisms. → Sterilization is the process for the complete destruction of all living  matter. → Disinfection doesn’t indicate to sterilization process.

→ 90% of bacteria & viruses are removed by coagulation & filtration  process. → The rate of destruction of micro organism is alchemical reaction  (chick’s law) = ‐kNt  solun ⇒ Nt = No e‐kt Nt = No of organisms at time ‘t’ No =  K = rate constant of the type of disinfectant, micro‐organism → The common used disinfectants are 9 Chlorine dioxide. 9 Chloramines 9 Ozone 9 Ultra‐videt radiaction 9 Chlorination. 1→ Make a short note on the use & effect of different disinfectants. 2→ Draw the layout of the water‐treatment plant.

* Brak‐point Chlorination :‐ Due to the reactivity of chlorine, it reacts with a  multitude of inorganic & organic materials present in water. In some cases, it is  used as an oxidizing agent first to break down these materials. This type of  chlorination is called ‘breakpoint’ chlorination. Due to high dosages of chlorine  normally employed, this procedure is no longer performed in Germany, but still  widely used in US & other countries.

‐: Waste‐Water Treatment:‐ 6.1 Waste water characteristics:‐ → Waste – waters are either from the sourc of industrial waste‐water or from  municipal waste water.  → Components of waste water are suspended solids, biodegradable organics,  and pathogens. → Suspended solids are organic in nature. Ex Body waste, food waste, paper &  biological cells. → Soluble organics in wastewater are of proteins, carbohydrates and lipids. → Water‐borne pathogens may be found in domestic wastewater. 6.2 waste water treatment processes:‐ → Domestic & industrial waste‐water contain mainly organic waste.

→ So, the main treatment processes are used towards organic removal. → Process are: 9 Pretreatment 9 Primary treatment 9 Secondary treatment 9 Advanced treatment 6.3 Pretreatment:‐                   → The floating debris destination product of building debris & grit, & oily    dictionary     scums are removed from waste‐ Vegetation   prolent water, in the pretreatment process‐ → Sometimes, the pH of waste‐water is in such a range that water is either too acidic  or too alkaline for optimum biological degradation. It need pH correction. The PH  correction is achieved by the addition of sulphuric acid (H2SO4) or lime. 6.3.1 Screening → The objective of screening is to remove large floating material & so protect down  stream mechanical equipments. 9 Corase screen with opening        (remove large material > 6mm) 9 Fine screens with opening (1.6mm to 6mm material)              (For activated sludge) 9 Very fine screen opening (0.2 to 1.5mm) 9 Micro screen with opening (0.001 to 0.3mm)

Municipal waste water

screens

Grit facilities

                                                            Fat, oil, greases FOG flotation

Balancing pH, Organic, nutrient

Primary treatment

6.3.2 Grit channels – → Grit is inorganic sand or gravel particlesd of size about 1mm. They are washed into sewer collection‐systems from road & pavement. → Grit does’nt exist in industrial process of waste‐water. → Grit can abrade mechanical equipments.

→ Grit collection devices are: 9 Helical flow aerated grit chamber 9 Horizontal flow grit channel. Air enters one side of channel near the bottom & this cause a spiral motion Iar to  the main flow direction.

                                                     Air supply

                                              Grit Fig   Helical flow aerated         grit channel → Heavier grit particles settle while the lighter organic matter  remain in suspension. → Aerated grit chambers are more efficient than horizontal flow  type. → The design of grit channel is based on setting of particle                 F1 = FD

⇒ (γs – γw) V = CD As fw  ⇒  Vs =  (Sp‐1)d2                                                 Sp = Specific gravity of participles                        CD = drag coefficient                              =                             V = Kinematic viscosity                               =  Ex 12.4 Design a horizontal flow grit chamber to remove grit of size  greater than 0.2 mm if the through flow is 10,000 M3/d. the specific  gravity of the particles is 1.9. Solution Setting velocity (Vs) = . (

‐ 



)d2 

w

               = x (1.9‐1) x (0.2)2                = 19.6 mm/see             = 0.02 m/see Assume Depth (D) = 1.5xwidth (w)

C/s area = A = WxD                      = 1.5w2  A =  =  = 0.39m2 

6.3.3  Flotation  :‐  Flotation  is  used  when  suspended  particles  have    low  setting  velocity that they are not settleable in sedimentation tank. →  Sedimentation,  in  water‐treatment  chapter,  is  the  gravity  unit  process  of  separating solids from liquids. → Flotation is the buoyancy unit process of separating ‘solid’ particles from a liquid  phase. → In municipal work, solids are fats, oils & grases (FOG). →  The  process  of  separation  involves  introducing  air  bubbles  at  the  bottom  of  a  flotation tank.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++ Fig: Dissolved Air Flotation → Air bubble attaches with particulate (composed of dist unit particles) dictionary)  matter & the combined buoyancy helps the particle to rise to the surface. Then, it is  removed by skimming. Dictionary.

9 Gravity flotation  9 Vacuum                                                           Make a short note 9 Electro flotation 9 Dissolved air flotation (DAF) 9 Air flotation

6.3.4 Equalization :‐ Uniformity/balancing →  Waste‐water  treatment  plant  receives  the  waste  matter  (effluent),  uniformity/balancing is required for that. → This includes 9 Flow equalization 9 Organic equalization 9 Nutrient balancing 9 PH balancing (PH correction)                      (6.5 to 8.5) → Flow equalization/balancing operates & balanced 7 days.                                                                     Overflow                                         Raw                   Screens                                           structure                           To primary                           2 3A 1                                                   sedimentation     Waste water                                          Grit removal 

3B

4

                                                                      Equalization   Flow control

6.4 Primary Treatment :‐ → Primary treatment is often called clarification, sedimentation or setting. →  The  waste  water  is  allowed  to  settle  for  a  period  (about  2hr)  in  a  setting  tank  and produce clarified liquid effluent in one stream. →  Therefore,  the  objective  is  to  produce  a  suitable  for  the  secondary  biological  treatment & achieve a solid separation. → Hence, the primary treatment include 9 Reduction in suspended solids 9 Reduction in BOD 9 Reduction in the amount of waste‐activated‐sludge (WAS) 9 Removal of floating material. 9 Partial equalization of flow rates & organic load. ++++++++++++++++ Fig C/s of a typical circular primary clarification tank. 9 Waste‐water enters through the diffusion‐box. The tank is sized so, that  the retention time is about 2hr. in this period, the suspended particles  settle down as sludge & lift upwards through a central hopper. 6.4.1 Chemically enhanced primary sedimentation → The addition of coagulant chemicals 

              (iron, salts, lime, alum) Before sedimentation makes the suspended fine particles into settleable flocs. →  This  process  increases.  The  efficiency  of  suspended  solid  &  BOD  removal  rates.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++                                                                           Surface overflow rate m3/d/m2) → → As the surface overflow rate increases, the removal efficiency decreases. → The mechanism of chemically enhanced primary sedimentation is to use an  aeration tank & add coagulants. 6.4.2 Sludge quantities from primary setting:‐ → The amount of sludge produced during primary setting will depend on the  total suspended solids & the efficiency of solid – removal. 6.5 Secondary treatment :‐ →  In  primary  setting  process.  About  60%  of  suspended  solids  &  30%  of  BOD  removed from west‐water. → The purpose of secondary treatment is to reduce the BOD which does not  benefit as much as suspended solids from primary setting. → Secondary treatment process produces non‐polluting and products from the 

                                                                               (H2O, CO2, Sludge) Biodegradable organic matter:‐ → The end product shouldn’t provide a food source for aerobic bacteria.              (Liquid efficient) → The removal of organic matter includes the processes: 9 Bio‐degradation 9 Air‐stripping :‐removal of covering 9 Adsorption (accumulation  of  molecules  particles  to  form  a  thin  film  on  surface  of  water) 9 Activated sludge system 9 Attached growth system 6.5.1 Activated sludge system → The common activated sludge systems are 9 Complete mix reactors. 9 Plug flow reactors. 9 Oxidation ditch 9 Contact stabilization 9 Sequencing batch reactors Complete Mix Reactors ‐

→ It has uniform characteristics throughout the entire reactor. → Aeration is provided by surface aerators. →  Dissolved  oxygen  (DO)  levels  are  maintained  throughout  the  process  (2mg/L). → The returned activated sludge (RAS) from the clarifier is fed directly to the  aeration basin                       bacteria  Organic + O2             CO2+NH3+new biomass Olio d Process Plug Flow Reactors ‐ → Plug flow means a ‘plug’ of substrate influent to an aeration basin is moved  forward,  without  too  much  interaction  with  plug.  This  means  satisfacting  mixing occurs in the lateral direction, but none in longitudinal direction.                                  Influent                                       Effluent                    Plug → There is a high organic loading at the influent end of the basin. → There is an excess of food substrate at the influent end shortage of food  substrate at the downstream end. → Through the aeration basin the food substrate. Decreases while micro‐ organism concentration increases. Oxidation Ditch – +++++++++++++

Fig Layout of an oxidation ditch system. Contact Stabilization – → Aeration is carried out in two phases in two different tanks. → Influent                                                                  effluent Contact tank

Clarifier 

       

                                                  Sludge‐           sludge waste                                                            recycle,                                  Aerator tank            →  In  contact  tank  the  suspended  organic  matter  is  adsorbed  by  the  microbial  mass  and  the dissolved organic matter is absorbed by the biomass. Sequencing batch reactors‐  → It is a complex mix activated sludge system without a secondary clarifier. → Five different sequences are followed within the single aeration basin. → Aeration & clarification are carried out in one tank.

++++++++++++++++++++ 6.5.2 Attached growth systems (Write a short note) → It allow a microbial layer to grow on the surface of the media (stone, plastic) → It exposed to the atmosphere from where it draws its oxygen. → The microbial layer is sprayed with the waste‐water.

→ In this process, the microbial layer convents the biodegradeable organic waste‐water to  biomass & by – products. Microbial :‐ involving/caused by microbas → The microbial layer helps to reduce the BOD of effluents. Percolating Filters – (Tricking Filters) → These are generally cylindrical or rectangular boxes of concrete or steel, containing  stone media. → The media is angular rather than rounded (ex limestone is a better choice). → The floor of the tank has an underdrain system for collecting the underdrain system for  collecting the treated waste water.

Q.1‐ Operation of tricking filter with diagram. Factors affecting the efficiency of a tricking filter.

Granular media filtration:‐ → The media may natural/synthetic media & filter type is either of pressure or granting. Adsorption :‐ (Activated carbon adsorption) → Organic compound may be removed by PAC or granulated activated urban (GAC).                                                                             Powered. Chemical treatment :‐ In this process, the PH of effluent rises to 10.8 – 11.5, so that  ammonia (waste water) Nitrogen converted to ammonia gas & it released to atmosphere.

++++++++++++++

6.6 Secondary Clarification :‐ → The retention time in secondary clarificator is about 2 hrs same as in primary  clarification. But it is provided with a deep setting tank.                                                                    (about 4.5m) → The aim is that no solids should ‘escape’ in the clarified effluent. → The solids are biological in nature.                                (Biodegradable organic matter) It may require oxygen demand from water body for the decomposition. → The important parameter for secondary clarification is  surface overflow rate (SOR) = → discharge                                                                      Area of C/S 6.7 Advanced Treatment Process – (Filtration) 9 Granular media filtration :‐ It composed of one type of grains 9 Adsorption                                                         (Sand/stone ek) 9 Chemical treatment 9 Air stripping                     Removal of ammonia; 9 Chlorination                     when ammonia levels                                              are high in effluent                                                         (waste water)

6.8 Wastewater Disinfection – → The objective of disinfection is to eliminate pathogenic organisms. → The disinfection producer for wastewater are ? 9 Chlorine 9 Ozone

9 Chlorine dioxide 9 Ultravidet radiation.

6.9 Layout of wastewater treatment plant – +++++++++++++++++++++ Fig layout of a typical wastewater system including filtration.

‐: Anaerobic digestion :‐ Process of decomposing the  organic matter. 7.1 Introduction :‐ → It is used for the treatment of industrial, agricultural & municipal wastewater.

→ Anaerobic digestion is the use of micro‐organisms for the stabilization of organic                                                                               (in the absence of oxygen) matters to the form of methane and other inorganic products.

Organic matter + H2O microbial CH4 + CO2 +                                          organism

                                        New + NH3+H2S+Heat                                        Biomass → It occurs in the absence of oxygen. → Concentrated waste‐water sledges may react with waste‐water & hena, can produce  bad‐products or gases to the environment.

Therefore, It has to make the sludges as inert prior to disposal. The common No reaction  with water or other elements.                               No reaction with water or other elements. Process is biological degradation. This process convert the solids to non‐cellular end 

products.                                                                             (dictionary) Not divided into cells                     The process is commonly termed as sludge digestion. 2‐ Sludge digestion reduces the volume of thicken sludge as well as makes the  remaining solid as inert.                   Aerobic digestion                                    Anaerobic digestion Aerobes: ‐ Micro‐organisms require oxygen for their survival, are called aerobes. Anaerobes: ‐ Other micro‐organisms can’t survive in the oxygen environment, are known  as anaerobes. 3‐ Primary sludge contains large amounts of available organics that would induce a  rapid growth of biomass if treated aerobically.                            (dictionary)      total mass of living matter 4‐ Anaerobic decomposition produces less amount of biomass compared to aerobic  processes. The  aim  of  anaerobic  digestion  process  is  to  convert  as  much  as  sludge  to  end  products such as liquids & gases; while producing a little residual biomass.

7.2 Microbiology of Anaerobic digestion :‐ → Four different microbiological groups (bacteria) are recognized. 9 Hydrolytic  bacteria  compound  reacts  with  water  &  produce  other  compound.

9 Acidogenic bacteria             formation of acid. 9 Aceticlastic Methanogens. 9 Hydrogenophilic Methanogens. Complex waste (sludge)

                                       Protein               carbohydrates.         Lipids.                       Hydrolysis                                                                                                                                             Process  Hydrologic Bacteria. Aminoacid, sugar

Faltyacid, alcohols.

Acidogenic bacteria                                                                                                                                  Acidogonesis                                                                                                                                  process Intermediate Products.

Acetate H2, CO2

                              Aceticlastic                                                              

                              Bacteria                                                          Hydrogenophilic Methane,                                                                                                 Methanogens CO 2

7.3 Methane Proclcetion:‐ → Anaerobic sludge digestion divides into two groups, the acid formers & methane  formers. → The influent sludge enters the tank close to the top at the supernatant layer (purified  liquid layer) → There is a activity digesting sludge layer below to supertent layer. → Finally the decomposed (digested) sludge stabilized at the bottom of tank.

Gas released.                                                                                                                                   Influent sludge                              Scam                                                                 Supernant released.                                                          A             Activity digesting sludge.                                                           Stabilized sludge

                                                                                                        Digested sludge Ex C6H12O6                             3CO2 + 3CH4

7.4 Application of anaerobic digestion:‐ → Agricultural wastewater treatment Industrial Municipal

‐: Air Pollution :‐ → Man can hardly survive for 5 minutes without air. → However, he can survive 5 days without water & for 5 weeks without food. → When air gets polluted, it causes a number of diseases in human body (animals). → Hence, the polluted air is harmful to all types of life (plant, animals).

8.1 Air pollutants:‐ → The polluted air gets contact with the non‐living materials (metal, wood, stone etc) &  corrosive action of polluted air or due to the chemical attack of air pollutants. → Primary pollutants – Sulphur oxides (SO2), carbon monoxide (CO), Nitrogen oxides (NO & NO2), Lead (Pb),  hydrocarbons, allergic agents & radioactive substances, H2S, H2F‐, & methyl & ethyl  mercaptans. → The primary pollutants react with each other & with water vapour & produces new  pollutants, called secondary pollutants. → Secondary pollutants are produced from he chemical reactions due to oxidation caused  by energy of sun. → Secondary pollutants are more harmful than the original primary pollutants. The pollutants are: 9 H2SO4 (Sulpharic acid)

9 Ozone (O3) 9 Formaldehydes (H‐CHO) or CH2O 9 Perony‐acyl‐nitrate (PAN) (NOz) 1‐ Sulpher dioxide – (SO2) → It is an irritant gas & when inhaled, it increases the breathing rate & causes oxygen  deficit in the body.               ex Patients of asthma are affected by this pollutions. → SO2 may oxidize to form SO3, which when inhaled, may dissolve in body fluid to form  sulphuric acid (H2SO4). H2SO4 is a very strong corrosive acid. → SO3 causes severe branch spasm.                                      (dictionary):‐ difficulty in exhalation → SO2 originates from refineries & chemical plants, smelting operation & burning of                                                                                              (dictionary):‐ formation metals by  heating  fulls. Thermal power plant also emits SO2. → The quantity of SO2 in air is 0.03 ppm (Specified Air Standard)* *Contentation of pollutant (Unit of measurement) 9 Generally the concentration of pollutant can be expressed as micrograms per cubis  metre (μg/m3) at atmospheric temp & pressure. 9 If the concentration is expressed in cum(m3) per million cum of air, it is called as  ppm (parts per million). 9 The relation betwn ppm & μg/m3 is: 1 μg/m3 = 

          X 103           

 → Liter

       Mol → molecule ( /mol) → Volume in Liter occupied by one molecule. 2‐ Carbon monoxide. (CO) – → CO has 200 times affinity towards blood hemoglobin (Hb) than oxygen. → When inhaled, CO replaces O2 from haemoglobin & form carboxy‐haemoglobin  (COH6).                   It has no use in respiratory process. Hence, helf of the blood is used → Carbon monoxide is responsible for heart attack. Sources → CO originates from auto mobile exhausts & incomplete combination of  organic matter.                                                      (dictionary):‐ (Process in which  substances reacts with oxygen.) → In cities, the concentration of CO is 54 ppm. → Specified standard (9 ppm). 3‐ Oxides of Nitrogen (NO, NO2)‐                        Nitric oxide   Nitrogen dioxide. →Eye & Nasal irritations are causes by NO2 (when concentration is 15) → Respiratory discomfort (concentration is 25ppm) → It originates from automobile exhausts:‐                                                      (dictionary) Furnace smokes 

→ Specified standard for NO2 is 0.05ppm

4‐ Hydrogen Sulphide (H2S) – → H2S is a foul smelling gas with a odour of rotten egg.                     (dictionary) – dirty              (dictionary):‐Damaged/useless → This gas cause headaches, sleeplessness & pain in eyes. → Higher concentration of H2S may block oxygen transfer & damage to nerve tissues. → H2S is rarely found in atmosphere, therefore, It is not included in the air‐quality‐ standers. (No specified standard‐concentration) → It is produced in industries like oil‐refinibg, rubber, artificial, silk etc. 5‐ Methyl & Ethyle Mecaptans – → Ethyl mercaption :‐ C2H3SH → These compounds are not harmful to us. → They have strong odours. 6‐ Hydrogen Fluoride & Other Fluorides – → All fluoride compounds are extremely irritant gas & corrosive in nature. → Their smaller concentration may produces fluorosis in cattle & plants  dictionary – a pathological condition. → It is not harmful to human beings. Sources → They are emitted into atmosphere from aluminum plant, steel plant,  phosphate frtiliserplants etc & by burning of coal.

→ Its concentration in city air is very less (around 0.025 ppm). It is not included in air‐ quality‐standard. 7‐ Lead (Pb) – Sources → It is ejected into the atmosphere through exhausted of automobile.                                                                                  (Gas emitted from the automobile engine) → It may cause irritation of mucous‐mucous – membranes of nose, throat & lungs,  when (a thin layer inside of nose & mouth & outside of other part of body inhaled air. → It may damage to Liver, kidney & gastrointestinal tracts (systems).                                                                   (dictionary)‐system. → Specified standard for lead in air‐quality‐standard is 1.5 μg/m3  8‐ Hydrocarbons – (Alkane, Alkene, Alkynes.) → Alkenes are highly reactive in atmosphere through photochemical realn. → It reacts with other pollutant gases & forms new pollutants. Sources → Hydrocarbons released to the tmosphere by automobile exhausts & by  smokes of incinerators & from Oil‐refineries. → Hydrocarbons are found to cause body cancers. → Formal‐dehyde cause irritation of eyes, skins & lungs. → Air‐quality‐standard is 160 μg/m3 (0.24 ppm) 9‐ Allergic Agents – → Microscopic substances in air may cause allergic reactions in human bodies, called  aero‐allergens.  (Physical matter of which thing/person consist)

→ Sneezing, asthma, skin troubles are due to allergic agents. Sources → It Originates from plants & animals. → Finally powered industrial materials may cause allergic reacn with sensitive persons. → Powered like material form seasonal plants. 10‐Radioactive Isotopes – ex  Titrium (H‐3)                                                     Carbon‐11, 14, 18 →  Radioactive  emissions  leads  to  anemia,  cancers  &  shortening  of  life  spans  &  genetic  effects. (Its nuclic are unstable & it dispute energy by emitting radiation in the from of ‐,β‐ &γ‐rays) & accidential discharges from atomic & nuclear reactors.

11‐Ozone (O3) – →  The  presence  of  ozone  gas  in  air  may  cause  irritation  in  the  respiratory  (dictionary)  tract. System. → it may be produced by photochemical process

                                                   Two pollutants unit together in the presence of sun‐light,  producing a third pollutant. →  In  day  time,  It  is  also  produced  by  photochemical  realn  of  hydrocarbons  &  nitrogen  oxide. (in highly motorized areas)vehicle used        (dictionary) → The air standard for ozone is 0.12ppm                     Environment protection agency 8.2 Criteria & Non‐criteria pollutants:‐

→ Criteria pollutants are: 9 9 9 9 9 9

CO NO2 O3 SO2 Lead Particle matter (dia 

Suggest Documents